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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 자동차 차체 경량화에 대비하여 알루미늄간의 접합 및 알루미늄과 스틸 구조의 이종재료에 대하여 실험적 방법을 이용하여 SPR 접합판재의 피로 수명을 평가하였다. 또한, SPR 사용시 기존 점용접 접합에 비하여 떨어지는 접합강도의 만족과 피로강도의 향상을 위하여 SPR 과 접착제를 병행한 Hybrid 접합의 피로수명을 평가하였다.
- 본 논문에서는 자동차 차체 경량화 대비하여 실험적 방법을 통해 SPR 접합부의 피로수명에 대한 평가를 수행하였다. 또한, SPR 접합 사용시 기존 점 용접에 비하여 떨어지는 접합강도 및 피로수명을 향상시키고자 SPR 과 접착제를 이용한 Hybrid 접합의 피로수명을 평가하였다.
제안 방법
- 4) 본 연구에서는 아연 코팅된 카본 스틸 리벳을 이용하여 실험하여 평가하였다. 향후 최적의 경량화 및 강도, 수명 등을 향상시키기 위해 알루미늄 리벳 및 다양한 코팅층을 사용하여 연구하고자 한다.
- 7,8 접착 두께가 증가하면 접착제에서 발생하는 전단응력이 증가와 접착 계면에 많은 기공을 내포할 수 있으며, 경화 후 잠재적인 결함의 원인이 될 수 있다. Class C 와 Class D의 Hybrid 판재접합 실험에서는 Henkel 사 구조용 에폭시 계열의 접착제를 이용하여 0.1 mm 도포 후 180 ℃에서 30 분간 경화작업을 한 후 SPR 접합을 수행하였다.
- 실험방법은 접합방법 및 판재 조합종류에 따라 Table 3 과 같다. SPR 접합방법은 Class A 의 알루미늄 동종재료와 Class B 의 알루미늄과 스틸의 이종재료로 구분하였고, Hybrid 접합은 Class C 의 알루미늄 동종재료와 Class D 의 알루미늄과 스틸의 이종재료로 구분하였다.
- 따라서 본 연구에서는 자동차 차체 경량화에 대비하여 알루미늄간의 접합 및 알루미늄과 스틸 구조의 이종재료에 대하여 실험적 방법을 이용하여 SPR 접합판재의 피로 수명을 평가하였다. 또한, SPR 사용시 기존 점용접 접합에 비하여 떨어지는 접합강도의 만족과 피로강도의 향상을 위하여 SPR 과 접착제를 병행한 Hybrid 접합의 피로수명을 평가하였다.
- 본 논문에서는 자동차 차체 경량화 대비하여 실험적 방법을 통해 SPR 접합부의 피로수명에 대한 평가를 수행하였다. 또한, SPR 접합 사용시 기존 점 용접에 비하여 떨어지는 접합강도 및 피로수명을 향상시키고자 SPR 과 접착제를 이용한 Hybrid 접합의 피로수명을 평가하였다.
- 인장 시험에는 최대용량 150kN 인 Instron 사의 UTM (Universal Testing Machine) 장비를 사용하였으며, 하판을 고정시키고 상판을 2 mm/min 의 속도로 인장시켰다. 총 3 회 실험을 수행하여 평균 인장강도를 산출 하였다. 인장실험 결과 상판에서 굽힘 현상이 나타나면서 리벳 주위에서 파단이 시작되었다.
- 피로 하중의 응력비 R(σmin/σmax)은 0.1 로 설정하였으며, 파형은 정현파(sine wave), 시험 주파수(Frequency)는 20Hz 로 하여 피로시험을 하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용한 소재는 자동차 차체 부품재료인 스틸 SPRC440, Al 5J32 와 리벳으로 화학적 조성을 Table 1 에 나타내었다. SPRC440, Al 5J32 재료의 기계적인 물성은 Table 2 와 같다.
- 사이클에서 꺽임점이 존재하여 수평화 되는 응력수준으로, 꺽임점 이후 수명이 무한하다고 간주한다. 본 실험에서는 피로수명이 106 이상을 피로한도로 판단하여 실험을 수행하였다. Fig.
- 시편의 규격은 Fig. 3 과 같이 일반적으로 사용되는 겹치기 이음시편으로 가로 100 mm, 세로 30 mm 이고 두께는 1 mm 인 I 형 겹치기 시편이다. 실험에 사용한 리벳은 내경, 외경은 각각 4.
- 실험에 사용한 리벳은 내경, 외경은 각각 4.8, 8.7mm 이고, 높이는 5.5mm 인 아큐먼트사 Ø 4.8이다.
- SPR 장비는 사용목적에 따라 정치식과 로봇건식 등의 종류가 있으며, 본 실험에 사용한 장비는 정치식 장비이다. 실험장치의 구성은 Fig. 4 처럼 크게 C-Frame 으로 구성된 Setting tool 부분과 리벳을 Setting tool 에 공급해 주는 Feeding 장치, 마지막으로 모재에 기계적 힘을 공급해주는 유압장치로 크게 3 부분으로 구성되어 있다. 실험조건은 가압력 5kN 를 가하여 접합을 수행하였다.
- 8이다. 재료는 아연(zinc) 코팅된 카본 스틸(carbon steel)로서 경도(vickers hardness)는 450~500Hv 이다.
이론/모형
- 피로 시험은 Fig. 6 과 같이 10ton 용량의 Instron 회사의 전기유압식 MTS 810 모델을 사용하여 ASTM E 466-96 규격에 의하여 시험을 수행하였다. 피로 하중의 응력비 R(σmin/σmax)은 0.
- 1 로 설정하였으며, 파형은 정현파(sine wave), 시험 주파수(Frequency)는 20Hz 로 하여 피로시험을 하였다. 피로실험기의 제어모드(Control mode)는 하중제어 방식으로 HCF(High Cycle Fatigue) Test 로 실험하였다. HCF 는 매 Cycle 마다 가해지는 load 가 작은 조건에서 이루어지는 시험이다.
성능/효과
- 1) 인장시험 결과 알루미늄재료의 경우 Hybrid 접합을 수행하였을 때 SPR 접합보다 20% 이상 접합강도가 향상되었고, 알루미늄과 스틸의 이종재료 접합의 경우 Hybrid 접합을 수행하였을 때 SPR 접합보다 2 배 이상 접합강도가 향상되었다.
- 2) 피로시험 후 파단형상은 SPR 결합의 경우 모재에서 파단이 일어나 전파되는 전형적인 Pull-Out Fracture 가 발생하였는데 이는 고상접합법인 SPR 공정 특성상 HAZ(열영향부)가 존재하지 않고 우수한 접합강도를 확보하기 때문이라고 판단된다. Hybrid 접합의 파단형상은 상부 부재와 하부 부재가 떨어지면서 접착제의박리 하중이 작용된 접착제의 벌크파괴 및 모재파단이 발생되었다.
- 3) 피로수명은 알루미늄 동종재료의 SPR 접합의 경우 Class A 의 내구한도는 0.9 kN 이었고, Hybrid 접합의 Class C 의 경우 2.23 kN 으로 2.5 배 이상 내구한도가 향상되었고, 알루미늄과 스틸의 이종재료 접합의 경우에는 SPR 접합의 경우 Class B 는 1.7 kN 이었고, Hybrid 접합의 Class D 는 2.7 kN으로 약 1.6 배 이상 내구한도가 향상됨을 알 수 있었다.
- 5 처럼 Class A 와 Class C 의 알루미늄 재료의 경우 Hybrid 접합을 수행하였을 때 SPR 접합보다 20%이상 접합강도가 향상되었다. 또한 Class B 와 Class D 의 알루미늄과 스틸의 이종 재료 접합의 경우 Hybrid 접합을 수행하였을 때 SPR 접합보다 2 배 이상 접합강도가 향상되었다.
- 실험결과 Fig. 5 처럼 Class A 와 Class C 의 알루미늄 재료의 경우 Hybrid 접합을 수행하였을 때 SPR 접합보다 20%이상 접합강도가 향상되었다. 또한 Class B 와 Class D 의 알루미늄과 스틸의 이종 재료 접합의 경우 Hybrid 접합을 수행하였을 때 SPR 접합보다 2 배 이상 접합강도가 향상되었다.
후속연구
- 이처럼 차량경량화 및 연비향상 등을 위해서는 차체 전체를 알루미늄으로 변경하는 것이 가장 좋은 방법 이지만 알루미늄의 성형문제, 강도(차체 재설계), 접합기술 등 관련 응용 기술이 부족하므로 차체에 부분적인 경량화 적용이 필요한 실정이다. 또한, 자동차 차체의 멤버(Member)와 멤버가 연결되는 곳에는 더 큰 강성이 요구되기 때문에 기존의 철강재나 높은 강도를 가지고 있는 재료의 사용이 요구되므로 알루미늄 접합과 더불어 알루미늄과 스틸의 이종재료 결합이 가능한 접합기술 개발이 필요하다.
- 4) 본 연구에서는 아연 코팅된 카본 스틸 리벳을 이용하여 실험하여 평가하였다. 향후 최적의 경량화 및 강도, 수명 등을 향상시키기 위해 알루미늄 리벳 및 다양한 코팅층을 사용하여 연구하고자 한다.
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